CC BY
89
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
УДК 634.93:311
МОДЕЛЬ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР В ОРОШАЕМЫХ АГРОЛЕСОЛАНДШАФТАХ
О.В. Рулева, доктор сельскохозяйственных наук, доцент Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации, г. Волгоград
На основе экосистемного подхода дается анализ орошаемых агроценозов, позволяющий моделировать влияние лесных полос на прилегающие агроценозы. Показана определяющая роль лесных полос в развитии сельскохозяйственных культур на межполосной клетке. При орошении в системе лесных полос создаются оптимальные условия. Развитие агроценоза происходит закономерно независимо от географического района и вида культур.
Ключевые слова: модель продуктивности, орошаемые агроценозы, влияние лесных полос, системный подход, корреляционный анализ, коэффициент детерминации.
В работе над моделью объекта или процесса понимается любой образ независимо от знаковой системы - словесной, числовой, функционально-математической т.д. Причем разнообразие моделей определяется уровнем их описания: качественным, количественно-эмпирическим, теоретическим и т.д. Несмотря на всю условность деления, принято считать теоретически обоснованными те модели, которые опираются на общие и частные физические законы с адекватным их математическим представлением в виде алгебраических или дифференциальных уравнений [1].
Для изучения биологических объектов, в том числе агроценозов, используют системный подход, который без классического описательного, накопительного этапа, основанного на «фактических», эмпирических построениях невозможно использовать. Агроценозы обладают своими закономерностями, своей динамикой, своими критериями, за повышение продуктивности которых приходиться платить снижением устойчивости ценоза управляющими воздействиями. А управлять невозможно без модели [7], без знания процессов, происходящих при антропогенном вмешательстве. Коренное отличие агроэкосистем, развивающихся под воздействием лесной мелиорации на орошаемых землях, - оптимальные условия, стабильность в развитии, относительная устойчивость функционирования. Раскрытие механизма функционирования и развития агроценозов в оптимальных условиях поможет в управлении, принятии конкретных решений для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, в предсказуемости и легкости выращивания культур под влиянием лесополос.
Рисунок 1 - Схема организации исследований и управления агросистемами
Целью данной работы было показать механизм функционирования агролесосистем на орошаемых землях, и управление этим процессом, на основе математического моделирования влияния лесных полос на урожай сельскохозяйственных культур и их структуру. Используя системный подход в своих исследованиях, основываясь на рекомендациях Агрофизического института [3, 4], нами предложена схема организации исследований и управления агролесосистемами (рис. 1).
В основе управления - математическая модель, основанная на физической сущности явления, объясняемая с помощью теории мутной среды [8], и подтверждаемая экосистемным подходом.
Основные этапы анализа агроценозов на орошаемых землях в системе лесных полос представлены на рисунке 1. Модель базируется на биологическом подходе, основоположником которого был Карл Пирсон [11]. При анализе процессов, происходящих на межполосной клетке под влиянием лесных полос за интегральный показатель брали сельскохозяйственные культуры, т.е. параметры физиологических показателей роста растений или их конечный продукт - урожай. Сельскохозяйственные культуры представлены разными видами, сортами и гибридами. Объекты исследований расположены под защитой 2-, 3-, 5-, 7-рядных лесных полос всех конструкций в различных почвенных условиях.
Влияние лесных полос на показатели структуры урожая (высоту стебля и главного стебля, у растений. Имеющих 3-4 стебля, его диаметр, длину колоса и т.д.),
представлены в динамике на разном расстоянии от лесных полос. Контролем служило расстояние более 30 высот от лесной полосы (30-40 Н или середина межполосной клетки.
Предыдущие исследователи, отмечая положительную роль лесных полос в развитии сельскохозяйственных культур, давали в основном качественную характеристику [6]. А.Р. Константинов и Л.Р. Струзер [5] на основе осреднения экспериментальных данных получили гиперболические зависимости для яровой и озимой пшеницы относительно расстояния до лесных полос, рассчитанные по испаряемости и прибавкам урожая.
За основу моделирования нами взяты собственные 14-летние исследования по 74 вариантам элементов структуры и урожая сельскохозяйственных культур и обобщенные данные других исследователей [6] за 7-ми летний период по следующим культурам: свекла, картофель, хлопок, чайные кусты, люцерна, рис, кукуруза, ячмень, подсолнечник, нут, яровая и озимая пшеница. Географическое положение представлено различными зонами и регионами исследований, а также природным составом, количеством рядов, высотой лесных полос (ЛП) и смешением.
Ранее нами было выявлено, что [9] математическая модель пространственно-временной динамики, полученная для кукурузы разных групп спелости и сортов (гибридов), развивающихся во времени (вегетационный сезон) по логистической зависимости, а в пространстве - по экспоненте дает основание утверждать, что все сельскохозяйственные культуры развиваются под влиянием полос в течение вегетации по логистической зависимости. Логично предположить, что все сельскохозяйственные культуры при орошении в пространстве межполосной клетки развиваются по экспоненте.
Применение регрессионного анализа позволило описать фактические данные у - элементы структуры и урожая сельскохозяйственных культур единым уравнением экспоненциальной зависимости вида у =а-е-Ьх , различающиеся параметрами а и Ь. Коэффициент корреляционных отношений Я = 0,80-0,99 показывает сильную степень связи между элементами структуры, урожаем культур и расстоянием от лесных полос. Корреляционная структура многих сельскохозяйственных растений представлена «корреляционным скелетом», связывающим все признаки в единое целое. От силы связи между признаками зависит степень интегрированности объекта, отсюда и разные коэффициенты корреляционных отношений, но в пределах допустимых для биологических объектов (0,60). Важной особенностью корреляционной структуры признаков любого организма является то, что они связаны друг с другом не хаотически, а образуют группы или скопления. Каждая из них объединяет признаки, сильнее связанные с расстоянием от ЛП (высота растений, количество колосков в метелке и т.д.) или слабее (число растений на погонный метр, урожай хлопка в 1 коробочке). Выявление функциональных связей между элементами корреляционного скелета доказывает связь каждого элемента структуры урожая с лесной полосой на период онтогенеза. Следовательно, дает возможность определять динамику растений в системе полос на любом этапе, не изымая на протяжении вегетации.
Для приведения к единым единицам измерения фактические данные по структуре урожая сельскохозяйственных культур были нормированы и сведены в корреляционную решетку.
Нормированные значения многолетних наблюдений по влиянию ЛП на ценозы сельскохозяйственных культур для выяснения закономерностей их изменения были обработаны на компьютере с помощью прикладной программы для ЭВМ «Ехсе1».
Анализ данных показал, что все 74 элемента структуры и урожай сельскохозяйственных культур хорошо описываются экспоненциальной
зависимостью, кроме нута. Высота главного стебля у нута относительно расстояния от ЛП (пространственного влияния) аппроксимируется экспоненциальной функцией с коэффициентом детерминации Я2 = 0,46. Это объяснимо с биологичекой точки зрения. Высота стеблей у нута стелющаяся. Для математической обработки учитывался главный стебель, так как развитие под полосой и на контроле различалось в онтогенетическом отношении. Под лесной полосой, на расстоянии 2,5 Н растения были более мощные, кустистые, чем на контроле. Поэтому для рендоминизированности сравнения вариант на высотах (различных расстояниях от лесной полосы) и контроле была взята высота главного стебля растения. Известно, что нут из семейства БаЬааа, следовательно, способен стелиться по земле, поэтому в сравнении со стоячими стеблями коэффициент детерминации, показывающий эту связь, относительно низок. Но функциональная связь биомассы нута с расстоянием от лесной полосы дал коэффициент Я2=0,76, то есть прочную зависимость. В целом по 74 вариантам структуры урожая коэффициент детерминации
Я2 = 0,7-0,9,
применяемой функции, свидетельствует об удовлетворительной аппроксимации, то есть модель экспоненциального изменения развития сельскохозяйственных культур в системе лесных полос в пространстве закономерна и адекватна описываемому явлению. Согласно предложенному нами концептуальному подходу, при наличии тесной связи в корреляционной структуре объекта, на что указывает коэффициент детерминации, предусматривается дальнейший анализ зависимостей по параметрам а и Ь [10]. Для этого нормированные данные по элементам структуры урожая (высота стебля, количество коробочек на стебле, биомасса и т.д.) группируются по культурам. Соответственно для каждой сельскохозяйственной культуры: свеклы, картофеля, хлопка, чайных кустов, люцерны, риса, нута, кукурузы, ячменя, подсолнечника, яровой и озимой пшеницы (табл. 1) получаются нормированные осредненные величины, по которым строятся функциональные зависимости (рис. 2).
Таблица 1 - Нормированная величина биологической продуктивности
сельскохозяйственных культур
Нормированное
расстояние от 00 ,0 т го ,5 00
ЛИ/ культура 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, ^
Свекла 1 0,9 0,96 0,99 0,88 0,87 0,84
Картофель 1 0,88 0,81 0,72 0,64 0,62
Хлопок 1 1 0,96 0,97 0,94 0,88 0,82 0,82 0,84 0,73 0,74
Чайные кусты 1 0,96 0,83 0,83 0,77
Люцерна 1 0,85 0,7 0,68 0,6 0,5 0,46 0,48 0,45
Рис 1 0,91 0,75
Кукуруза 1 0,87 0,84 0,73
Ячмень 1 1 0,96 0,91 0,7 0,6
Подсолнечник 1 0,88 0,81 0,72
Нут 1 0,6 0,55 0,55 0,45 0,44
Яровая пшеница 1 1 0,95 0,87
Озимая пшеница 1 0,95 0,92 0,84
***** ИЗВЕСТИЯ *****
№ 3 (35) 2014
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
Рисунок 2 - Зависимость нормированной величины биологической продуктивности сельскохозяйственных культур от расстояния до ЛП
На рисунке 2 каждая из вышеперечисленных культур представлена экспоненциальной зависимостью в системе координат. Параметры уравнений полученных зависимостей сведены в таблицу 2.
Таблица 2 - Изменение биопродуктивности сельскохозяйственных культур (у)
от расстояния до лесных полос (в пространстве) (х) _по экспоненциальной зависимости у = а^е"Ьх_
Название культуры Параметры уравнения Коэффициент детерминации Я2
а Ь
Озимая пшеница 1,02 0,20 0,97
Яровая пшеница 1,03 0,17 0,96
Кукуруза 1,02 0,32 0,86
Ячмень 1,10 0,63 0,88
Подсолнечник 1,02 0,37 0,88
Рис 1,09 0,36 0,96
Нут 0,80 0,71 0,66
Свекла 0,98 0,16 0,65
Картофель 1,00 0,50 0,97
Люцерна 1,00 0,88 0,93
Хлопок 1,02 0,36 0,93
Чайные кусты 1,00 0,28 0,82
2 „
Коэффициенты детерминации Я применяемой функции говорят об удовлетворительной аппроксимации, то есть экспоненциальная модель развития перечисленных под защитным влиянием полос при орошении адекватна описываемому явлению.
Для подтверждения достоверности обобщенных экспоненциальных зависимостей по сельскохозяйственным культурам был проведен сравнительный анализ по параметрам а и Ь биопродуктивности вышеперечисленных культур. Стандартное отклонение не превышает 0,5 % уровень вероятности, что подтверждает высокую достоверность полученных зависимостей и применимость данного метода к описываемому явлению. То есть мы можем утверждать, что лесная полоса оказывает влияние на растения, выращиваемые под их защитой, на протяжении всего периода онтогенеза и полного созревания. Экологическим фактором по Р. Дажо [2] является любой элемент среды, способный оказывать прямое влияние на живые организмы, хотя бы на протяжении одной из фаз их индивидуального развития, в том числе способствуя появлению адаптивных модификаций. Следовательно, на основе проведенных исследований агроценозов можно сформулировать следующее положение: лесные полосы являются экологическим фактором, который способствует появлению адаптации у растений агроценоза на межполосной клетке изменяться строго закономерно от расстояния до лесных полос по одной зависимости -экспоненциальной. Учитывая ранее сформулированный «закон минимума» Либиха [2], и признавая специфику исследуемого объекта, можно сформулировать следующее положение или частный закон - лесная полоса играет роль экологического фактора в зоне влияния, способствуя появлению адаптаций у сельскохозяйственных культур и упорядочивая развитие агроценоза изменяться закономерно по экспоненциальной зависимости: у = а-е"Ьх.
При системном исследовании пространственного влияния полезащитных лесных полос, опираясь на накопленный опыт качественного описания наблюдаемых явлений, используя современные методы количественной интерпретации динамичности развития самого сообщества и составляющих его элементов, нами построена феноменологическая модель продукционного процесса сельскохозяйственных культур при орошении. Независимо от географического положения района исследований, структуры, рядности, породного состава ЛП, почвы продуктивность сельскохозяйственных культур (зерновых, кормовых, овощных, масличных, технических и т.д.) при орошении изменяется по экспоненциальному закону. Это подтверждает нашу гипотезу об оптимальных условиях развития сельскохозяйственных культур под влиянием полос и орошения. Причем главенствующая роль принадлежит не орошению, а лесной полосе, которая трансформирует основные климатические факторы и изменяет их на прилегающей территории, то есть выполняет климаторегулирующую роль, создавая оптимум для сельскохозяйственных культур. Лесная полоса выступает в качестве экологического фактора, влияющего на развитие агроценоза, определяя закономерность его развития по экспоненте.
Библиографический список:
1. Гаршинев, Е.А. Эрозионно-гидрологический процесс и лесомелиорация [Текст]: теория и модели / Е.А. Гаршинев. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 1999. - 196 с.
2. Дажо, Р. Основы экологии [Текст]/ Р. Дажо; пер. с франц. В.И. Назарова / Под ред. проф. В.В. Алпатова. - М.: Прогресс, 1975. - С. 21-31.
3. Жуковский, Е.Е. О принципах программирования на вероятностной основе [Текст]/ Е.Е. Жуковский, И.Б. Усков // Моделирование и управление процессами в агроэкосистемах// Тр. АФИ. - 1984.
4. Жуковский, Е.Е. Принципы построения и реализации дифференцированных агротехнологий [Текст]/ Е.Е. Жуковский, И.Б. Усков // Моделирование и управление процессами в агроэкосистемах: тр. АФИ. - 1984.
5. Константинов, А.Р. Лесные полосы и урожай [Текст]/ А.Р. Константинов, Л.Р. Струзер. - Изд-е 2-е, перераб. и доп. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 213 с.
6. Лабазников, Б.В. Лесные полосы и урожайность сельскохозяйственных культур на орошаемых землях в СССР [Текст] / Б.В. Лабазников.
7. Математическое моделирование биогеоценотических процессов [Текст]. - М.: Наука, 1985. - С. 3-5.
8. Рулева, О.В. Применение теории «мутной среды» для обоснования расчетов влияния лесных полос на прилегающие агроценозы [Текст]/О.В. Рулева // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2014. - №1(33). - С. 64-69.
9. Рулева, О.В. Формирование продуктивности и качества урожая кукурузы в системе лесных полос на орошаемых землях в Нижнем Поволжье [Текст]: автореф. дисс.... канд. наук / Рулева О.В. - Волгоград, 1995. - 24 с.
10. Рулева, О.В. Прогноз развития сельскохозяйственных культур в зоне влияния защитных лесных насаждений [Текст]/ О.В. Рулева //Кормопроизводство. - 2004. - №3. -С. 14-15.
11. Шмидт, В.М. Развитие представлений о корреляциях и корреляционной структуре биологических объектов. Исследование биологических систем математическими методами [Текст] / Под ред. В.М. Шмидта //Тр. Биол. ИНТИ № 37. - Л.: ЛГУ, 1985. - С. 5-18.
E-mail: [email protected]
